JP2826227B2 - 光電変換素子 - Google Patents
光電変換素子Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はシリコンを用いた光電変
換素子に関するものである。
換素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】光電変換素子の一例として、シリコン太
陽電池の例について説明する。従来の単結晶または多結
晶シリコンを用いた標準的な太陽電池の断面模式図を図
２に示す。従来のシリコン太陽電池は図２に示すよう
に、ｐ型シリコン基板１の受光面側にｎ型不純物領域で
あるｎ+ 型層２が形成され、さらにその上に反射防止膜
３が形成されており、前記反射防止膜３を貫通し、ｎ+
型層２に接続されている受光面電極５が形成されてい
る。そして、前記ｐ型シリコン基板１の受光面の反対側
の面には、高濃度のｐ型不純物領域であるｐ+ 型層４が
形成されており、ｐ+型層４の下には裏面電極６が形成
されている。上記の構造を有する太陽電池に光が入射す
ると、ｐｎ接合部に光起電力が生じ、この起電力によっ
て、受光面電極５および裏面電極６を介して負荷に電流
が供給される。
陽電池の例について説明する。従来の単結晶または多結
晶シリコンを用いた標準的な太陽電池の断面模式図を図
２に示す。従来のシリコン太陽電池は図２に示すよう
に、ｐ型シリコン基板１の受光面側にｎ型不純物領域で
あるｎ+ 型層２が形成され、さらにその上に反射防止膜
３が形成されており、前記反射防止膜３を貫通し、ｎ+
型層２に接続されている受光面電極５が形成されてい
る。そして、前記ｐ型シリコン基板１の受光面の反対側
の面には、高濃度のｐ型不純物領域であるｐ+ 型層４が
形成されており、ｐ+型層４の下には裏面電極６が形成
されている。上記の構造を有する太陽電池に光が入射す
ると、ｐｎ接合部に光起電力が生じ、この起電力によっ
て、受光面電極５および裏面電極６を介して負荷に電流
が供給される。
【０００３】しかし、この構造では、シリコン基板１の
表面での光生成キャリアの再結合のため、短絡電流およ
び解放電圧が低下するという問題点があった。そこで、
最近では図３に示すように、短絡電流および解放電圧を
向上させるために、受光面側および反対面側にシリコン
酸化膜７、７’またはシリコン窒化膜などを形成するこ
とにより、シリコン基板表面すなわち、ｎ+ 型層２とシ
リコン酸化膜７およびｐ+ 型層４とシリコン酸化膜７’
の界面での光生成キャリアの再結合を低減させる表面パ
ッシベーション技術が用いられている。しかしながら、
この構造でもまだ十分な低減効果が得られていない。特
に、ｐ+ 型層４とシリコン酸化膜７’の界面では不十分
である。そこで、ｐ+ 型層の代わりにｎ+ 型層２’を導
入した図４のような構造が提案されている（２２ｔｈ
ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｐｅｃ．Ｃｏ
ｎｆ．１９９１．１０（ｔｏ ｂｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅ
ｄ））。一般的に、表面再結合は表面のキャリア数と再
結合中心の積に比例すると考えられており、図４の構造
は裏面側のｎ+ 型層２’を導入することにより、シリコ
ン基板（ｐ型）１側に空乏層を形成し、表面近傍のキャ
リア数を減少させることで再結合を減少させようとする
ものである。
表面での光生成キャリアの再結合のため、短絡電流およ
び解放電圧が低下するという問題点があった。そこで、
最近では図３に示すように、短絡電流および解放電圧を
向上させるために、受光面側および反対面側にシリコン
酸化膜７、７’またはシリコン窒化膜などを形成するこ
とにより、シリコン基板表面すなわち、ｎ+ 型層２とシ
リコン酸化膜７およびｐ+ 型層４とシリコン酸化膜７’
の界面での光生成キャリアの再結合を低減させる表面パ
ッシベーション技術が用いられている。しかしながら、
この構造でもまだ十分な低減効果が得られていない。特
に、ｐ+ 型層４とシリコン酸化膜７’の界面では不十分
である。そこで、ｐ+ 型層の代わりにｎ+ 型層２’を導
入した図４のような構造が提案されている（２２ｔｈ
ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｐｅｃ．Ｃｏ
ｎｆ．１９９１．１０（ｔｏ ｂｅ ｐｕｂｌｉｓｈｅ
ｄ））。一般的に、表面再結合は表面のキャリア数と再
結合中心の積に比例すると考えられており、図４の構造
は裏面側のｎ+ 型層２’を導入することにより、シリコ
ン基板（ｐ型）１側に空乏層を形成し、表面近傍のキャ
リア数を減少させることで再結合を減少させようとする
ものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図４のような
構造には、新たに導入した裏面側のｎ+ 型層２’とシリ
コン酸化膜７’との界面での再結合のために、ｎ+ 型層
２’およびシリコン基板１の空乏層内およびその近傍で
発生したキャリアを有効に取出すことができなくなり、
ｎ+ 型層を導入した効果が半減するという欠点がある。
本発明は、このような欠点を鑑み、ｎ+ 型層を導入する
ことなしにシリコン基板内に空乏層を形成し、表面再結
合の低減を図る方法を提供するものである。
構造には、新たに導入した裏面側のｎ+ 型層２’とシリ
コン酸化膜７’との界面での再結合のために、ｎ+ 型層
２’およびシリコン基板１の空乏層内およびその近傍で
発生したキャリアを有効に取出すことができなくなり、
ｎ+ 型層を導入した効果が半減するという欠点がある。
本発明は、このような欠点を鑑み、ｎ+ 型層を導入する
ことなしにシリコン基板内に空乏層を形成し、表面再結
合の低減を図る方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、受光面側の反
対側の面にシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を形成
し、さらにその上に裏面電極と分離してｎ型の導電膜が
形成されていることを特徴とする光電変換素子であり、
好ましくはｎ型導電膜がｎ型透明導電膜であり、より好
ましくはｎ型透明導電膜が酸化インジウム膜または酸化
スズ膜または酸化亜鉛膜である。
対側の面にシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を形成
し、さらにその上に裏面電極と分離してｎ型の導電膜が
形成されていることを特徴とする光電変換素子であり、
好ましくはｎ型導電膜がｎ型透明導電膜であり、より好
ましくはｎ型透明導電膜が酸化インジウム膜または酸化
スズ膜または酸化亜鉛膜である。
【０００６】
【作用】本発明により、新たなキャリア再結合界面を形
成することなしに、シリコン基板内に空乏層が形成さ
れ、その結果、シリコン基板の光入射側と反対側の面で
のキャリアの再結合が著しく押えられるので、短絡電流
および開放電圧が著しく改善され光電変換効率が向上す
る。さらに、ｎ型導電膜がｎ型透明導電膜であれば、反
射率の高い金属を裏面反射材として透明導電膜の上に形
成することにより、シリコン基板を透過した光を裏面反
射材により反射し、透明導電膜を通過して、再びｐｎ接
合部に入射させることができるので光電変換効率がさら
に向上する。
成することなしに、シリコン基板内に空乏層が形成さ
れ、その結果、シリコン基板の光入射側と反対側の面で
のキャリアの再結合が著しく押えられるので、短絡電流
および開放電圧が著しく改善され光電変換効率が向上す
る。さらに、ｎ型導電膜がｎ型透明導電膜であれば、反
射率の高い金属を裏面反射材として透明導電膜の上に形
成することにより、シリコン基板を透過した光を裏面反
射材により反射し、透明導電膜を通過して、再びｐｎ接
合部に入射させることができるので光電変換効率がさら
に向上する。
【０００７】
【実施例】本発明の効果を示すために製作した太陽電池
の断面模式図を図１に示す。図１に基づいて、製作した
太陽電池の構成を説明する。太陽電池はｐ型シリコン基
板１の受光面側にｎ+ 型層２が形成され、その上にシリ
コン酸化膜７が形成され、さらにその上に反射防止膜３
が形成されており、反射防止膜３を貫通し、ｎ+ 型層２
に接続されている受光面電極５が形成されている。ｐ型
シリコン基板１の受光面の反対側の面にはシリコン酸化
膜７’が形成され、その上に、シリコン酸化膜７’を貫
通してｐ型シリコン基板１に接続している裏面電極６お
よび、裏面電極６と分離してｎ型透明導電膜８が形成さ
れている。用いたシリコン基板はｐ型単結晶基板である
が、多結晶基板であっても同様な方法で製作可能である
ことを確認している。以下に、図１に示した本発明の太
陽電池の製作手順を示す。カッコ内は製作時における焼
成温度である。
の断面模式図を図１に示す。図１に基づいて、製作した
太陽電池の構成を説明する。太陽電池はｐ型シリコン基
板１の受光面側にｎ+ 型層２が形成され、その上にシリ
コン酸化膜７が形成され、さらにその上に反射防止膜３
が形成されており、反射防止膜３を貫通し、ｎ+ 型層２
に接続されている受光面電極５が形成されている。ｐ型
シリコン基板１の受光面の反対側の面にはシリコン酸化
膜７’が形成され、その上に、シリコン酸化膜７’を貫
通してｐ型シリコン基板１に接続している裏面電極６お
よび、裏面電極６と分離してｎ型透明導電膜８が形成さ
れている。用いたシリコン基板はｐ型単結晶基板である
が、多結晶基板であっても同様な方法で製作可能である
ことを確認している。以下に、図１に示した本発明の太
陽電池の製作手順を示す。カッコ内は製作時における焼
成温度である。
【０００８】（１）シリコン基板洗浄 脱脂および重金属を除去する。
【０００９】（２）エッチング 基板表面に凹凸を形成する。
【００１０】（３）ｎ+ 型層２の形成 熱拡散（８００〜９００°Ｃ）による。
【００１１】（４）シリコン酸化膜７またはシリコン窒
化膜の形成 シリコン酸化膜は熱酸化（８００°Ｃ）により、シリコ
ン窒化膜はモノシランガス（ＳｉＨ4 ）とアンモニアガ
ス（ＮＨ3 ）を混合し熱分解（７００〜８００°Ｃ）さ
せることにより形成できる。両方共に約２００〜５００
オングストロームの膜厚である。
化膜の形成 シリコン酸化膜は熱酸化（８００°Ｃ）により、シリコ
ン窒化膜はモノシランガス（ＳｉＨ4 ）とアンモニアガ
ス（ＮＨ3 ）を混合し熱分解（７００〜８００°Ｃ）さ
せることにより形成できる。両方共に約２００〜５００
オングストロームの膜厚である。
【００１２】（５）反射防止膜３として、熱分解（４０
０°Ｃ）によりＴｉＯ2 膜を２００〜５００オングスト
ローム形成する。
０°Ｃ）によりＴｉＯ2 膜を２００〜５００オングスト
ローム形成する。
【００１３】（６）受光面側をマスクしてプロセス
（３）、（４）で形成された反対面側のｎ+ 型層および
シリコン酸化膜をフッ硝酸により除去する。
（３）、（４）で形成された反対面側のｎ+ 型層および
シリコン酸化膜をフッ硝酸により除去する。
【００１４】（７）受光面の反対側の面にシリコン酸化
膜７’またはシリコン窒化膜を約２００〜５００オング
ストローム形成する。形成方法としては、シリコン酸化
膜は熱酸化でよいが、シリコン窒化膜の形成は片面だけ
に膜を形成する必要があるため、片面形成が可能である
プラズマＣＶＤ法により可能である。
膜７’またはシリコン窒化膜を約２００〜５００オング
ストローム形成する。形成方法としては、シリコン酸化
膜は熱酸化でよいが、シリコン窒化膜の形成は片面だけ
に膜を形成する必要があるため、片面形成が可能である
プラズマＣＶＤ法により可能である。
【００１５】（８）ｎ型導電膜の形成 導電膜として酸化スズ膜（ＳｎＯ2 ）を用いた。酸化ス
ズ膜は図５に示す条件で熱ＣＶＤ法により形成した。形
成した膜は屈折率１．９，抵抗率５×１０- 4 （Ω・ｃ
ｍ）で膜厚は約１０００オングストローム形成した。
ズ膜は図５に示す条件で熱ＣＶＤ法により形成した。形
成した膜は屈折率１．９，抵抗率５×１０- 4 （Ω・ｃ
ｍ）で膜厚は約１０００オングストローム形成した。
【００１６】（９）導電膜のパターニング 裏面電極はオーミック接合となっている必要があり、ｎ
型導電膜はショットキー接合となっている必要があるの
で、裏面電極とｎ型導電膜は互いに分離して形成する必
要がある。これは、裏面電極とｎ型導電膜が接触してい
るとｎ型導電膜は裏面電極と同電位となり、ショットキ
ー接合でなくなるため、キャリアの再結合低減効果がな
くなるからである。そこで、裏面電極を形成する部分の
導電膜を削除するために塩酸系のエッチングにより所定
のパターンを形成する。
型導電膜はショットキー接合となっている必要があるの
で、裏面電極とｎ型導電膜は互いに分離して形成する必
要がある。これは、裏面電極とｎ型導電膜が接触してい
るとｎ型導電膜は裏面電極と同電位となり、ショットキ
ー接合でなくなるため、キャリアの再結合低減効果がな
くなるからである。そこで、裏面電極を形成する部分の
導電膜を削除するために塩酸系のエッチングにより所定
のパターンを形成する。
【００１７】（１０）受光部および裏面電極形成 受光部は銀ペースト、裏面電極はＡｌペーストを用い、
印刷、焼成により電極を形成した。焼成温度は７００〜
８００゜Ｃである。
印刷、焼成により電極を形成した。焼成温度は７００〜
８００゜Ｃである。
【００１８】以上のプロセスにより製作した太陽電池
と、比較のために製作した図４の構造の太陽電池のＡＭ
１．５、日射量１００ｍＷ／ｃｍ2 下での特性の比較を
図８に示す。これより、短絡電流、開放電圧が改善さ
れ、変換効率が改善されていることが分る。また、製作
した太陽電池の表面再結合速度およびシリコン基板側へ
の空乏層の広がりを測定したところ、図９に示すような
結果となった。空乏層の広がりは図４の構造と図１の構
造とでは差は見られないが、表面再結合速度は約１／５
になっており、再結合の低減が図られていることが分
る。
と、比較のために製作した図４の構造の太陽電池のＡＭ
１．５、日射量１００ｍＷ／ｃｍ2 下での特性の比較を
図８に示す。これより、短絡電流、開放電圧が改善さ
れ、変換効率が改善されていることが分る。また、製作
した太陽電池の表面再結合速度およびシリコン基板側へ
の空乏層の広がりを測定したところ、図９に示すような
結果となった。空乏層の広がりは図４の構造と図１の構
造とでは差は見られないが、表面再結合速度は約１／５
になっており、再結合の低減が図られていることが分
る。
【００１９】さらに、ｎ型導電膜として透明なｎ型導電
膜を使用し、反射率の高いＡｇ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属を
裏面反射材として透明導電膜の上に形成すれば、シリコ
ン基板を透過した光を裏面反射材により反射し、透明導
電膜を通過して、再びｐｎ接合部に入射させることがで
きるので変換効率がさらに向上する。また、ｎ型透明導
電膜の膜厚は、本実施例では約１０００オングストロー
ムとしたが、反射の干渉の効果も考慮して決定すれば短
絡電流のより一層の向上が見込まれる。
膜を使用し、反射率の高いＡｇ，Ａｌ，Ｃｕ等の金属を
裏面反射材として透明導電膜の上に形成すれば、シリコ
ン基板を透過した光を裏面反射材により反射し、透明導
電膜を通過して、再びｐｎ接合部に入射させることがで
きるので変換効率がさらに向上する。また、ｎ型透明導
電膜の膜厚は、本実施例では約１０００オングストロー
ムとしたが、反射の干渉の効果も考慮して決定すれば短
絡電流のより一層の向上が見込まれる。
【００２０】なお、前述の工程（８）での酸化スズ膜の
透明導電膜形成に代わる方法として、酸化インジウム膜
および酸化亜鉛膜の透明導電膜を形成する製作試験も行
った。酸化インジウム膜は図６に示す条件でＤＣスパッ
タ法により形成した。形成した膜は屈折率１．８、抵抗
率３×１０- 4 （Ω・ｃｍ）で、膜厚は約１０００オン
グストローム形成した。酸化亜鉛膜については、図７に
示す条件で電子ビーム蒸着法により形成した。形成した
膜は屈折率２．１、抵抗率９×１０- 4 （Ω・ｃｍ）
で、膜厚は約１０００オングストローム形成した。ま
た、工程（９）でのパターニングは酸化インジウム膜、
酸化亜鉛膜共に塩酸系のエッチング液で行える。酸化イ
ンジウム、酸化亜鉛の透明導電膜で各々製作した太陽電
池の特性は、前述の酸化スズ膜による透明導電膜を形成
した太陽電池の特性とほぼ同等の良好な特性であった。
透明導電膜形成に代わる方法として、酸化インジウム膜
および酸化亜鉛膜の透明導電膜を形成する製作試験も行
った。酸化インジウム膜は図６に示す条件でＤＣスパッ
タ法により形成した。形成した膜は屈折率１．８、抵抗
率３×１０- 4 （Ω・ｃｍ）で、膜厚は約１０００オン
グストローム形成した。酸化亜鉛膜については、図７に
示す条件で電子ビーム蒸着法により形成した。形成した
膜は屈折率２．１、抵抗率９×１０- 4 （Ω・ｃｍ）
で、膜厚は約１０００オングストローム形成した。ま
た、工程（９）でのパターニングは酸化インジウム膜、
酸化亜鉛膜共に塩酸系のエッチング液で行える。酸化イ
ンジウム、酸化亜鉛の透明導電膜で各々製作した太陽電
池の特性は、前述の酸化スズ膜による透明導電膜を形成
した太陽電池の特性とほぼ同等の良好な特性であった。
【００２１】また、本発明はシリコン太陽電池だけでな
く、光量を計るための測光計に用いられるシリコン光起
電力センサなどの受光素子にも適用可能である。
く、光量を計るための測光計に用いられるシリコン光起
電力センサなどの受光素子にも適用可能である。
【００２２】
【発明の効果】以上、本発明によれば、受光面の反対側
の面にシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を形成し、
その上にｎ型導電膜を形成することで、シリコン基板内
に空乏層を形成し、表面再結合が低減されるので、光電
変換効率を改善することが可能となった。
の面にシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を形成し、
その上にｎ型導電膜を形成することで、シリコン基板内
に空乏層を形成し、表面再結合が低減されるので、光電
変換効率を改善することが可能となった。
【図１】本発明実施例の太陽電池の断面模式図である。
【図２】従来の太陽電池の断面模式図である。
【図３】表面パッシベーション技術が導入された太陽電
池の断面模式図である。
池の断面模式図である。
【図４】表面パッシベーション技術の改良型太陽電池の
断面模式図である。
断面模式図である。
【図５】酸化スズ膜の形成条件を示す図である。
【図６】酸化インジウム膜の形成条件を示す図である。
【図７】酸化亜鉛膜の形成条件を示す図である。
【図８】試作セルと従来構造セルとの特性比較を示す図
である。
である。
【図９】試作セルと従来構造セルの表面再結合速度およ
び空乏層幅を示す図である。
び空乏層幅を示す図である。
１ シリコン基板 ２ ｎ+ 型層 ３ 反射防止膜 ４ ｐ+ 型層（ＢＳＦ） ５ 受光面電極 ６ 裏面電極 ７ シリコン酸化膜 ７’ シリコン酸化膜 ８ ｎ型導電膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中嶋 一孝 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 岡本 浩二 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−143467（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−143569（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−206491（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/04
Claims (3)
- 【請求項１】 ｐ型シリコン基板と、このｐ型シリコン
基板の受光面側に形成されたｎ型半導体領域と、前記ｎ
型半導体領域の表面に配置された受光面電極と、前記ｐ
型シリコン基板の受光面側の反対側の面に配置された裏
面電極とを有する光電変換素子であって、 前記ｐ型シリコン基板の受光面側の反対側の面にシリコ
ン酸化膜またはシリコン窒化膜が形成され、該シリコン
酸化膜上または該シリコン窒化膜上に前記裏面電極と分
離してｎ型の導電膜が形成されていることを特徴とする
光電変換素子。 - 【請求項２】 上記ｎ型導電膜がｎ型透明導電膜である
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。 - 【請求項３】 上記ｎ型透明導電膜が酸化インジウム膜
または酸化スズ膜または酸化亜鉛膜であることを特徴と
する請求項２に記載の光電変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4062747A JP2826227B2 (ja) | 1992-03-19 | 1992-03-19 | 光電変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4062747A JP2826227B2 (ja) | 1992-03-19 | 1992-03-19 | 光電変換素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05267696A JPH05267696A (ja) | 1993-10-15 |
| JP2826227B2 true JP2826227B2 (ja) | 1998-11-18 |
Family
ID=13209305
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4062747A Expired - Fee Related JP2826227B2 (ja) | 1992-03-19 | 1992-03-19 | 光電変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2826227B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102239565B (zh) | 2008-12-02 | 2016-04-06 | 三菱电机株式会社 | 太阳能电池单元的制造方法 |
-
1992
- 1992-03-19 JP JP4062747A patent/JP2826227B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05267696A (ja) | 1993-10-15 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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